变压器的设计

目录

目录_________________________________________________________________________ 1摘要_____________________________________________________________________ 2

一、变压器的基本结构 ________________________________________________________ 3

二、变压器的工作原理________________________________________________________ 4

1.电压变换_______________________________________________________________ 4

2.电流变换_______________________________________________________________ 5

三、设计内容________________________________________________________________ 5

1、额定容量的确定 _______________________________________________________ 5

2、铁心尺寸的选定_______________________________________________________ 6

3、计算绕组线圈匝数______________________________________________________ 8

4、计算各绕组导线的直径并选择导线________________________________________ 9

5、计算绕组的总尺寸，核算铁芯窗口的面积_________________________________ 10四设计实例________________________________________________________________ 11

4.1 设计要求 ____________________________________________________________ 11

4.2计算变压器参数_______________________________________________________ 12五总结_____________________________________________________________________ 15参考文献____________________________________________________________________ 15附录

摘要

随着我国经济建设的发展，电力工业规模迅速的壮大起来，变压器的单台容量和安装容量快速增长。国际巨头强势参加海内市场竞争的面前，一方面看中的是我国电力设备市场的伟大后劲；另一方面，也表现了中国企业长足的进步，尤其在质量方面，国产电力变压器已经越来越靠近海内程度，使得海内巨头们不得不拿出“看家身手”逐鹿中国市场。

变压器是一种用于交流电能转换的电气设备。它可以把一种交流电压、交流电流的电能转换成相同频率的另一种交流电压、交流电流的电能。变压器在电力系统中的主要作用是变换电压,以利于电能的传输。电压经升压变压器升压后,可以减少线路损耗,提高送电经济性,达到远距离送电的目的。电压经降压变压器降压后,获得各级用电设备的所需电压,以满足用户使用的需要。

此次设计的变压器为小型变压器，小型变压器指的是容量1000V.A以下的变压器。最简单的小型单相变压器由一个闭合的铁心(构成磁路)和绕在铁心上的两个匝数不同、彼此绝缘的绕组(构成电路)构成。这类变压器在生活中的应用非常广泛。

一、变压器的基本结构

1、铁心：铁心是变压器磁路部分。为减少铁心内磁滞损耗涡流损耗，通常铁心用含硅量较高的、厚度为0.35或0.5mm、表面涂有绝漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。

铁心分为铁柱和铁轭两部分，铁柱上套装有绕组线圈，铁轭则是作为闭合磁路之用，铁柱和铁轭同时作为变压器的机械构件。铁心结构有两种基本形式：心式和壳式。

2、绕组：绕组是变压器的电路部分。一般采用绝缘纸包的铝线或铜线绕成。为了节省铜材，我国变压器线圈大部分是采用铝线。

3.其它结构部件：储油柜、气体继电器、油箱。

图为单相心式变压器；1—铁柱；2—铁轭；3—高压线圈；4—低压线圈

二、变压器的工作原理

变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，常用的铁心形状一般有E型和C型铁心。

变压器是利用电磁感应原理将某一电压的交流换成频率相同的另一电压的交流电的能量的变换装备。

变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组，如图（1）所示。一个绕组接电源，称为原绕组（一次绕组、初级），另一个接负载，称为副绕组（二次绕组、次级）。原绕组各量用下标1表示，副绕组各量用下标2表示。原绕组匝数为1N，副绕组匝数为2N。

理想状况如下（不计电阻、铁耗和漏磁），原绕组加电压u1，产生电流i1，建立磁通，沿铁心闭合，分别在原副绕组中感应电动势e1和e2。

1.电压变换

当一次绕组两端加上交流电压u1时，绕组中通过交流电流i1，在铁心中将产生既与一次绕组交链，又与二次绕组交链的主磁通。说明只要改变原、副绕组的匝数比,就能按要求改变电压。

2.电流变换

变压器在工作时，二次电流I2的大小主要取决于负载阻抗模|Z1|的大小，而一次电流I1的大小则取决于I2的大小。

说明变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。

三、设计内容

设计内容有四部分：额定容量的确定；铁心尺寸的选定；绕组的匝数与导线直径；绕组（线圈）排列及铁心尺寸的最后确定。

1、额定容量的确定

变压器的容量又称表现功率和视在功率，是指变压器二次侧输出的功率，通常用KVA表示。

（1）二次侧总容量

小容量单相变压器二次侧为多绕组时，若不计算各个绕组的等效的阻抗及其负载阻抗的幅角的差别，可认为输出总视在功率为二次侧各绕组输出视在功率之代数和，即 S2=U2I2+U3I3+....+U n I n ；式中S2为二次侧容量（V.A)，U2，U3....U n 为二次侧各个绕组电压的有效值；I2I3...I n为二次侧各个绕组的负载电流有效值。

(2) 一次绕组的容量

对于小容量变压器来说，我们不能就认为一次绕组的容量等于二次绕组的总容量，因为考虑到变压器中有损耗，所以一次绕组的容量应该为

式中S1——变压器的额定容量;变压器的效率，约为0.8～0.9，表3-1所给的数据是生产时间的统计数据，可供计算时初步选用。

(3)一次电流的确定

I1=(1.1～1.2)S1/U1式中(1.1～1.2)考虑励磁电流的经验系数，对容量很小的变压器应取大的系数。

2、铁心尺寸的选定

(1) 计算铁心截面积A

为了减小铁损耗，变压器的铁心是用彼此绝缘的硅钢片叠成或非晶材料制成。其中套有绕组的部分称为铁心柱，连接铁心柱的部分称为铁轭，为了减少磁路中不必要的气隙，变压器铁心在叠装时相临两层硅钢片的接缝要相互错开。小容量心柱截面积A大小与其视在功率有关，一般用下列经验公式计算（单位2）。表3-2

S/（V．A）0-1010-5050-500500-10001000以上K022-1.75 1.5-1.4 1.4-1.21

A——铁心柱的净面积，单位为cm2，K0——截面计算系数，与变压器额定容量S有关，按表3-2选取，当采用优质冷轧硅钢片时K

可取小些截面积计算系数K0。

（2）确定铁心规格

小容量变压器铁心形式多采用壳式，中间心柱上套放绕组，铁心的几何尺寸如图：

。

式中a——心柱的宽度（mm）； b——心柱的净叠（mm)b’——心柱的实际厚度（mm）, Kc——叠片系数，是考虑到铁心叠片间的绝缘所占空间引起铁心面积的减小所引入的。对于0.5mm厚，两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，Kc=0.93；对于0.35mm厚两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，Kc =0.91；对于0.35mm厚，不涂漆的冷轧钢片，Kc=0.95。按A的值，确定a和b的大小，答案是很多的，一般取b=(1.2～2.0)a，,并尽可能选用通用的硅钢片尺寸。表3-3列出了通用的小型变压器硅钢片尺寸。

·国产小功率变压器常用的标准铁芯片规格（部分）（表3）

铁芯片型

号铁芯规格

（mm）

尺寸（mm）

参考数据

c

H h L l d h1

中间舌片净截面积

（cm2）

铁芯片厚度（mm）

ab冷轧热轧

0.350.50.350.5

GEIB3030×38

1991531068769.510.710.810.410.5

30×4512.712.812.312.4 30×5214.714.814.214.4 30×6016.917.116.416.6

GEIB3535×44

22105.561.512310161114.514.614.014.2

35×5217.117.316.616.7 35×6019.720.019.119.3 35×7023.023.322.322.5

GEIB4040×50

261247214411861318.819.018.218.4

40×6022.622.821.822.1

40×7026.326.625.525.8 3、计算每个绕组的匝数N

由变压器感应电势E的计算式

可以导出每伏所需要的匝数

关于值，不同的硅钢片是不一样的。当变压器容量在100VA以下，通常冷轧硅钢片DW240-35、DW260-35型的取0.8～1.2T；当变压器容量为100～1000VA 时，可取1.2～1.5T。当变压器容量在100VA以下，热轧硅钢片DR320-35、

DR280-35、DR360-50、DR315-50型的

取0.8～1.0T；当变压器容量为100～1000VA时，取0.9～1.2T。

一般可取在0.7～1.0T之间。然后确定铁芯柱截面积（=ab）及，最后根据下式求取各个绕组的匝数。

一次侧绕组的匝数为

二次侧绕组的匝数为

注意：二次侧绕组中有5%的匝数是为补偿变压器的漏感和导线铜损所增加的裕量。

4、计算各绕组导线的直径并选择导线

导线直径计算式为

式中：I为绕组电流，A；为导线截面积，cm2；d为导线直径，mm；为电流密度，A/。

所以有

电流密度一般可按下述方法选取：100VA以下连续使用的变压器取

=2.5A/；100VA以上连续使用的变压器取=2A/；变压器短时工作时，电流密度可以取大一些，即=4～5A/。以计算的直径d为依据，查圆铜漆包线规格（见下表），选出标称直径接近而稍大的标准漆包线。

5、计算绕组的总尺寸，核算铁芯窗口的面积

变压器绕组需绕在框架上，根据已知的绕组匝数、线径、绝缘厚度等计算出的绕组总厚度应小于铁芯窗口宽度c，否则，应重新计算或选铁芯

（1）根据铁芯窗高h（mm），求取每层匝数为

式中：0.9为考虑绕组框架两端各空出5%的地方不绕导线而留的裕度；2～4为考虑绕组框架厚度留出的空间；d′为包括绝缘厚度在内的导线直径。

（2）每个绕组需绕制的层数为

(3)计算层间绝缘及每个绕组的厚度，，，…。

通常使用的绝缘厚度尺寸主要如下：

1）一、二次绕组间绝缘的厚度为绕组框架厚度1mm，外包对地绝缘为二层电缆纸（2×0.07mm）夹一层黄蜡布（0.14mm），合计厚度=1.28mm。

2）绕组间绝缘及对地绝缘的厚度r=0.28mm。

3）层间绝缘的厚度。导线d为0.2mm以下的用一层0.02～0.04mm后的透明纸（白玻璃纸）；导线d为0.2mm以上的用一层0.05～0.07mm后的电缆纸（或牛皮纸），更粗的导线用一层0.12mm的青壳纸。

最后可求出一次侧绕组的总厚度为

同理可求出二次侧每个绕组的总厚度。

（4）全部绕组的总厚度为

式中：1.1～1.2为考虑绕制工艺因素而留的裕量。

（5）若求得绕组的总厚度小于窗口宽度c，则说明设计方案可以实施；若大于c，则方案不可行，应调整设计

四设计实例

4.1 设计要求

（1）原理图

（2）.给定参数：

型号额定输出

容量

（VA）初级

电压

（V）

次级电

压（V）

重量（KG）

BK-200200220V110V

5.5

4.2计算变压器参数

（1）计算原边的输入容量：

1).S1=S2/η，已知S2=200V.A;

根据表1：小型单相变压器的效率η的估算值可以取η=0.85，因此，S1=S2/η=200/0.85=235V.A；

（2）.铁心尺寸的选定：

计算铁心截面积A ：A ＝K 0 S

根据表3-2，.截面积计算系数K 0的估算值可以取K 0=1.45 ,因此A ＝K 0S =1.45*200=20.5㎝2；

（3）.计算绕组线圈匝数：

a ）每伏电压应绕的匝数:N 0=

E N =fBmA

44.410000=2.43匝/V ；式中的Bm=0.9T b ）根据N 0和各线圈额定电压求出各线圈的匝数： 一次绕组匝数：N 1=N 0U 1=220*2.43=537匝； 二次绕组匝数：N 2=1.05*N 0U 2=1.05*2.43*110=281匝;

（4）计算导线直径d:

a ）一次输入电流：I 1=S 1/U 1*(1.1～1.2)=235/220*1.1=1.175(A);

b ）直径dw=j i /4=1.13J

I

=0.715I ㎜；j 取2.5A/㎜2； c ）导线截面积：Ac=I/J ； 所以：d 1=0.77㎜，d 2=0.77㎜. A c1=0.47㎜2；

（5）根据绕组尺寸核算窗口面积

骨架图

a=35mm

b=60mm

c=17mm

h=61.5mm